帶式輸送機(jī)智能巡檢機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)

摘? 要：目前礦用帶式輸送機(jī)巡檢方式主要是依靠人工巡檢的形式來完成，存在效率低、實(shí)時(shí)性差等問題。通過現(xiàn)狀分析，研究設(shè)計(jì)了一種全天候智能巡檢機(jī)器人，可以有效解決上述問題。智能巡檢機(jī)器人集成了最新的機(jī)電一體化和信息化技術(shù)，不但可以代替人工巡檢，還具備效率高、巡檢數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和趨勢分析，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的事故隱患和故障先兆，為保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：智能巡檢機(jī)器人;帶式輸送機(jī);數(shù)據(jù)采集;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號：TP242? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：2096-4706（2020）16-0149-04

Research and Design of Intelligent Inspection Robot for Belt Conveyor

WANG Xinyu

（China Shenhua Energy Co.， Ltd. Harwusu Open-pit Coal Mine，Ordos? 010300，China）

Abstract：At present，the inspection method of mining belt conveyors is mainly completed by manual inspection，which has problems such as low efficiency and poor real-time performance. Through the analysis of the status，the research and design of an all-weather intelligent inspection robot can solve the above problems. The intelligent inspection robot integrates the latest mechatronics and information technology. It can not only replace manual inspections，but also has the advantages of high efficiency and real-time inspection data collection. At the same time，it can compare and analyze the inspection data. Discover hidden dangers and failure precursors of equipment operation in time，and play an important role in ensuring the safe and reliable operation of equipment.

Keywords：intelligence inspection robot;belt conveyor;data acquisition;real-time data transmission

0? 引? 言

帶式輸送機(jī)作為保證礦井正常生產(chǎn)的重要機(jī)械設(shè)備之一，被廣泛應(yīng)用于煤炭開采、運(yùn)輸及生產(chǎn)加工等各基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。近些年來，隨著工業(yè)制造水平以及生產(chǎn)機(jī)械化效率的提高，煤炭產(chǎn)量一直保持著逐年遞增的趨勢，因此輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)直接影響著煤炭運(yùn)輸效率。一般礦井輸送機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行條件較為復(fù)雜，環(huán)境較為惡劣，還由于輸送機(jī)長時(shí)間連續(xù)負(fù)載運(yùn)行，很容易造成輸送機(jī)各種故障的發(fā)生，如皮帶跑偏、磨損、打滑、撒料、噪音異常等，這些故障的發(fā)生給人員和機(jī)械設(shè)備帶來了極大的安全隱患。調(diào)查得知，輸送機(jī)故障在煤炭開采、運(yùn)輸過程的故障中占比較高。

為了預(yù)防上述故障的發(fā)生，目前大多數(shù)企業(yè)主要依靠人工巡檢的方式進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)巡檢。人工巡檢是依靠巡檢人員攜帶巡檢工具，采集輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)的記錄結(jié)果交由技術(shù)人員進(jìn)行分析并提出維保計(jì)劃。由于輸送機(jī)一般輸送距離較長，給現(xiàn)行的人工巡檢方式帶來了一系列難題，如巡檢人員靠人力沿著輸送機(jī)往返，輸送機(jī)運(yùn)行環(huán)境較為惡劣等，這些除增加了巡檢人員的勞動(dòng)強(qiáng)度外也增加了巡檢人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。還間接導(dǎo)致了巡檢周期長、巡檢速度慢，同時(shí)難以保證巡檢數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性;巡檢人員是否按照巡檢流程巡檢、巡檢項(xiàng)目是否全面、巡檢發(fā)現(xiàn)的問題是否及時(shí)記錄，也是影響巡檢結(jié)果準(zhǔn)確性的干擾因素。

針對上述人工巡檢方式存在的實(shí)時(shí)性差、效率低、存在安全隱患等問題，該巡檢模式已不滿足于目前輸送機(jī)的巡檢任務(wù)。因此，利用一種自動(dòng)化程度高、功能齊全、可靠性穩(wěn)定的智能巡檢機(jī)器人代替人工巡檢成了理想選擇。

1? 礦用帶式輸送機(jī)常見故障及運(yùn)行巡檢現(xiàn)狀

帶式輸送機(jī)常見故障一般有：輸送帶跑偏、打滑、磨損、撒料、噪音異常等，如果發(fā)生這些故障將會(huì)給人員和機(jī)械設(shè)備帶來極大的安全隱患。經(jīng)煤礦實(shí)地調(diào)查得知，輸送機(jī)故障中大多為輸送帶橫向斷裂、縱向撕裂、跑偏、打滑和堆煤等。

1.1? 橫向斷裂

輸送機(jī)的輸送帶以環(huán)形的狀態(tài)連續(xù)運(yùn)行，形成環(huán)形就會(huì)存在人工制作接頭，接頭的制作方法一般采用機(jī)械卡口固定接頭法或熱硫化接頭法。由于輸送帶接頭部位強(qiáng)度低于其他部位，所以接頭部位通常是整條輸送帶最薄弱的地方，接頭處往往容易發(fā)生輸送帶橫向斷裂。

1.2? 縱向撕裂

由于煤料中會(huì)夾雜著帶有尖銳棱角的大塊異物，在輸送過程中極易劃傷或者穿透輸送帶。尤其是在兩條輸送機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)載的落料處，煤料中的異物在下落過程中卡阻在導(dǎo)煤槽擋板或者托輥架等部位，同時(shí)受到正在轉(zhuǎn)動(dòng)中的輸送帶傳動(dòng)助力，異物將越卡越緊，最終穿透并縱向撕裂輸送帶，進(jìn)而引發(fā)斷帶事故。

1.3? 跑偏

跑偏故障是指運(yùn)行過程中輸送帶中心線偏離帶式輸送機(jī)中心線的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致輸送的物料沿輸送帶偏離中心線反方向?yàn)⒙?，同時(shí)會(huì)使輸送帶邊緣磨損而造成撕邊事故。

1.4? 打滑

打滑故障是指輸送帶運(yùn)轉(zhuǎn)速度跟不上驅(qū)動(dòng)滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，即兩者速度不匹配而出現(xiàn)的異常相對運(yùn)動(dòng)。一旦發(fā)生打滑故障，不僅會(huì)使輸送帶因傳動(dòng)力不足即轉(zhuǎn)速過低而失去效力，還可能造成驅(qū)動(dòng)滾筒與輸送帶長時(shí)間相對摩擦導(dǎo)致滾筒包膠和輸送帶嚴(yán)重磨損，甚至輸送帶受到較強(qiáng)沖擊后疲勞斷裂、溫度升高而引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重事故。

1.5? 堆煤

當(dāng)煤料中含水量達(dá)到一定比例時(shí)，會(huì)使煤料形成黏稠的流體狀態(tài)，通常稱水煤。這種流體狀態(tài)的煤料在輸送帶上傳輸過程中與帶面之間摩擦力較小，同時(shí)煤料自身受到重力作用，煤料在輸送帶上形成相對滑動(dòng)而大量堆積，導(dǎo)致局部壓力過大進(jìn)而造成輸送機(jī)損傷事故。

1.6? 托輥故障

由于托輥隨著輸送帶傳動(dòng)而長時(shí)間高速轉(zhuǎn)動(dòng)，托輥會(huì)受到不同程度的磨損或轉(zhuǎn)動(dòng)卡死，久而久之會(huì)產(chǎn)生局部發(fā)熱和摩擦噪音，當(dāng)托輥出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)卡死時(shí)，托輥與輸送帶之間會(huì)形成相對摩擦，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致托輥溫度升高造成火災(zāi)事故。

2? 智能巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)功能分析

根據(jù)輸送機(jī)的工作原理并結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場可能發(fā)生的各種故障及巡檢機(jī)器人工作的實(shí)際工況和任務(wù)，巡檢機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的總體功能有以下幾個(gè)方面：

（1）機(jī)器人需要具備自動(dòng)行走功能，可以在軌道上勻速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證在有坡路段時(shí)不會(huì)出現(xiàn)打滑、溜車現(xiàn)象。

（2）機(jī)器人的重量和體積要盡可能的小，整體強(qiáng)度需要滿足現(xiàn)場使用要求。同時(shí)煤礦自然環(huán)境非常惡劣，如粉塵、溫度等，還要求巡檢機(jī)器人密封效果好，抗干擾能力強(qiáng)。

（3）機(jī)器人需要有較低的功耗，使得其續(xù)航可以得到保障。同時(shí)可自動(dòng)檢測電池電量，自動(dòng)前往充電樁自行充電。

（4）機(jī)器人需要具有定位功能，輸送機(jī)顯示故障位置能根據(jù)機(jī)器人的定位功能來實(shí)現(xiàn)。

（5）機(jī)器人需要具有視覺檢測功能，通過機(jī)械人實(shí)時(shí)可視功能可以直接觀察輸送帶出現(xiàn)的故障。

（6）機(jī)器人通過其攜帶的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對輸送機(jī)的溫度、聲音檢測，通過對溫度及聲音分析判斷故障。

（7）機(jī)器人和控制室需要采用無線通信，實(shí)現(xiàn)在中央控制室對巡檢機(jī)器人的直接控制。

3? 巡檢機(jī)器人軟硬件設(shè)計(jì)

基于上述智能巡檢機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)要求，設(shè)計(jì)一套完整的智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)一般由軌道、智能巡檢機(jī)器人、充電基站、無線網(wǎng)絡(luò)基站、工控機(jī)及軟件系統(tǒng)等構(gòu)成。智能巡檢機(jī)器人本體由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，搭載有高清可見光攝像機(jī)、避障傳感器、拾音器及音響設(shè)備、紅外熱成像攝像機(jī)、煙霧傳感器等探測設(shè)備組成。智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

3.1? 巡檢機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1? 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人共有四個(gè)輪子，為全時(shí)四輪驅(qū)動(dòng)，每個(gè)輪子由一個(gè)步進(jìn)減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由一個(gè)電池模塊經(jīng)斷路器分別給4個(gè)電機(jī)供電，電機(jī)軸通過彈性聯(lián)軸器與車輪軸連接提供動(dòng)力。通過對每個(gè)電機(jī)的控制器發(fā)送不同的脈沖信號來控制小車行走。當(dāng)小車進(jìn)行正常直線行走時(shí)，主控制器向小車各輪分控制器發(fā)送相同頻率和數(shù)量的脈沖，通過改變脈沖頻率來控制車速，脈沖數(shù)量粗略控制車輛行走位置。當(dāng)車輛遇到轉(zhuǎn)彎情況時(shí)，扭力傳感器可以獲得小車左右輪的扭力差值，此時(shí)主控制器通過改變脈沖頻率，小范圍調(diào)整左右輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)差速高效轉(zhuǎn)彎。當(dāng)停車時(shí)，小車電機(jī)具有斷電剎車功能，配合減速器反向鎖止功能，實(shí)現(xiàn)小車的隨時(shí)駐停。小車車輪采用橡膠材質(zhì)，既輕便耐磨，又減少了摩擦起電的安全隱患。

3.1.2? 軌道設(shè)計(jì)

機(jī)器人行走軌道采用B20工字型軌道，它是巡檢機(jī)器人的主體支撐軌道。其抗壓性以及抗擊打性均可以滿足實(shí)際突發(fā)情況，如運(yùn)煤車碾壓、托輥脫落擊打等。運(yùn)行軌道形狀設(shè)計(jì)包括三類：直線型、圓弧型以及斜坡拐角型。軌道安裝在輸送機(jī)架旁，每間隔一定距離設(shè)置一個(gè)軌道固定點(diǎn)。

3.1.3? 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的檢測系統(tǒng)直接關(guān)系到機(jī)器人的功能實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)上盡可能地模仿人工巡檢模式并增加一些輔助的傳感器來拓展檢測功能。設(shè)有可見光攝像機(jī)、拾音器、煙感傳感器、紅外熱成像攝像機(jī)來代替人的視覺、聽覺及嗅覺。

（1）高清可見光攝像機(jī)。機(jī)器人本體集成高清可見光攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對巡檢設(shè)備的全方位監(jiān)控。攝像機(jī)采用500萬像素智能紅外筒型攝像機(jī)，分辨率可達(dá)2 592×1 944像素，并可支持實(shí)時(shí)輸出，支持透霧及電子防抖，碼流平滑設(shè)置，滿足不同場景下保證圖像質(zhì)量和流暢性的要求。具備防雷、防浪涌、防靜電，防雜光干擾等功能，保證畫面效果。自適應(yīng)以太網(wǎng)口通信，工作溫度-30 ℃～60 ℃。

（2）避障傳感器。機(jī)器人具有智能防撞、避障功能，避障傳感器采用雷達(dá)激光探測，對障礙物和范圍內(nèi)工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)探測，遇到障礙自動(dòng)停止并報(bào)警。探測距離0～10米，探測角度沿軌道正前方0.5°范圍。

（3）煙霧傳感器。煙霧傳感器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感裝置，能夠精準(zhǔn)地分辨出煤礦現(xiàn)場環(huán)境中固體顆粒物在空氣中的含量，當(dāng)顆粒物含量超過一定量值時(shí)，實(shí)現(xiàn)煙霧報(bào)警。

（4）紅外熱成像攝像機(jī)。紅外熱成像攝像機(jī)采用熱成像雙光譜網(wǎng)絡(luò)中載云臺(tái)攝像機(jī)。輸送機(jī)在發(fā)生電機(jī)堵轉(zhuǎn)、減速機(jī)高溫、托輥損壞等故障時(shí)都會(huì)存在不同程度發(fā)熱現(xiàn)象，紅外熱成像機(jī)根據(jù)溫度的變化能在輸送機(jī)發(fā)生故障時(shí)快速準(zhǔn)確預(yù)警。

（5）聲音檢測模塊。采用防水防爆拾音器，具有45°寬指向性。在左側(cè)盒子里部署P個(gè)線性排列的等間距的拾音器構(gòu)成一個(gè)拾音器陣列，實(shí)現(xiàn)對右側(cè)45°范圍內(nèi)M個(gè)轉(zhuǎn)輪的聲音的采集（MP）。

3.1.4? 充電基站

機(jī)器人充電基站由充電機(jī)構(gòu)、防爆充電控制箱組成。在軌道終端完成機(jī)器人自主充電工作，自主充電接觸部位采用電氣閉鎖技術(shù)，不充電時(shí)或故障狀態(tài)下，觸點(diǎn)嚴(yán)禁帶電。

3.1.5? 定位系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人采用無線射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）進(jìn)行定位，RFID高頻讀卡器是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過射頻信號自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)及其有關(guān)數(shù)據(jù)。首先將編入標(biāo)號的電子標(biāo)簽按照序號每隔一定距離貼于機(jī)器人軌道或輸送機(jī)架上，巡檢機(jī)器人利用RFID高頻讀卡器通過射頻信號感應(yīng)編入標(biāo)號的電子標(biāo)簽，并將收集到的信息傳遞給上位機(jī)，進(jìn)而得知巡檢機(jī)器人的具體位置來實(shí)現(xiàn)定位功能。

3.1.6? 無線通信系統(tǒng)

輸送機(jī)沿線設(shè)置無線網(wǎng)絡(luò)基站，基站與基站之間通過光纖進(jìn)行信號傳輸。機(jī)器人本體內(nèi)通過無線網(wǎng)橋連接無線網(wǎng)，在兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間利用無線傳輸方式構(gòu)建通信的中介，為了保證通信系統(tǒng)信息安全可靠，巡檢機(jī)器人的整個(gè)通信系統(tǒng)選用基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信，又考慮到機(jī)器人要在輸送機(jī)旁邊來回運(yùn)動(dòng)，故采用無線網(wǎng)橋進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2? 巡檢機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)及巡檢機(jī)器人總控軟件平臺(tái)組成，總控軟件平臺(tái)包含以下功能模塊。

3.2.1? 控制上位機(jī)

用戶可以通過工控機(jī)顯示界面完成與巡檢機(jī)器人的交流互動(dòng)。具體內(nèi)容包括：通過無線網(wǎng)絡(luò)，觀看巡檢機(jī)器人實(shí)時(shí)拍攝的視頻、紅外、聲音等信息;可以切換機(jī)器人運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢與人工控制巡檢的切換控制;可通過界面，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡;對于收到的異常信息，通過揚(yáng)聲器進(jìn)行報(bào)警，啟動(dòng)相應(yīng)處理程序;歷史數(shù)據(jù)查看等。

3.2.2? 運(yùn)行控制模塊

該模塊是用以控制機(jī)器人的軟件程序，主要功能包括兩大部分：機(jī)器人狀態(tài)控制和采集的信息傳輸。機(jī)器人狀態(tài)控制功能包括：控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和停止;定位機(jī)器人位置;控制報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警;實(shí)現(xiàn)電源管理，包括電池電量監(jiān)控和報(bào)警、自主?？康綗o線充電裝置上對電池充電、根據(jù)耗電情況推算剩余使用時(shí)間;能夠讀取陀螺儀的信息判斷機(jī)器人姿態(tài)。采集信息傳輸方面，能夠通過Wi-Fi或無線數(shù)據(jù)傳輸器傳輸視頻等檢測數(shù)據(jù)和機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2.3? 檢測控制模塊

該模塊主要用于對輸送機(jī)進(jìn)行智能巡檢，巡檢的內(nèi)容包括視頻實(shí)時(shí)查看、紅外圖像實(shí)時(shí)查看、現(xiàn)場異常聲音監(jiān)控與預(yù)警、托輥溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警、傳送帶探傷檢測、指定區(qū)域縮放監(jiān)視、環(huán)境溫度監(jiān)控、環(huán)境氣體監(jiān)控等功能。

3.2.4? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

存儲(chǔ)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)采集的各種數(shù)據(jù)，如報(bào)警信息、視頻信息等。

4? 巡檢機(jī)器人的應(yīng)用效果分析

目前，智能巡檢機(jī)器人已在眾多煤礦企業(yè)得到應(yīng)用，尤其應(yīng)用在環(huán)境較復(fù)雜、惡劣的生產(chǎn)運(yùn)行環(huán)節(jié)，如用于煤礦長距離帶式輸送機(jī)巡檢。巡檢機(jī)器人工作時(shí)，通過傳感器采集膠帶帶面、兩側(cè)托輥、電機(jī)、減速機(jī)、滾筒的視頻信息;采集電機(jī)、滾筒、托輥的聲音及溫度信息，采集工作環(huán)境溫度、氣體參數(shù)等信息，并將上述信息傳送到遠(yuǎn)端控制服務(wù)器中，為電機(jī)、減速機(jī)、滾筒、皮帶和托輥狀態(tài)檢測及分析等工作提供數(shù)據(jù)支撐。無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人與服務(wù)器之間遠(yuǎn)距離信息傳輸，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)無縫傳輸。服務(wù)器將巡檢機(jī)器人提供的視頻信息、紅外信息和聲音信息存儲(chǔ)，以便操作人員查看歷史數(shù)據(jù)，生成歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。工控機(jī)顯示界面方便對巡檢機(jī)器人進(jìn)行控制、查看歷史視頻、指定位置查看以及巡檢結(jié)果顯示功能。

根據(jù)公司機(jī)器人的實(shí)際使用如圖2所示，圖2（a）為機(jī)器人巡檢視頻效果圖，通過高清可見光攝像機(jī)傳回的視頻圖像顯示，成像清晰;圖2（b）為巡檢溫度檢測效果圖，利用熱成像紅外攝像機(jī)溫度監(jiān)測，熱成像直觀。從以上列舉的兩項(xiàng)功能分析，機(jī)器人的使用效果理想，功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，智能巡檢機(jī)器人在輸送機(jī)現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)人工巡檢實(shí)時(shí)性差、效率低等問題，試驗(yàn)證明，這種新的智能化巡檢可以替代傳統(tǒng)的人工巡檢。

5? 結(jié)? 論

該智能巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)體現(xiàn)了機(jī)器視覺技術(shù)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等自動(dòng)化技術(shù)在煤礦行業(yè)的整合應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的智能巡檢機(jī)器人提高了工業(yè)企業(yè)資源和資金的利用效率，降低人工成本和費(fèi)用，是當(dāng)今企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的新方向。智能巡檢機(jī)器人能以“信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化”為發(fā)展方向，可加快智能礦山建設(shè)，提升煤炭行業(yè)自動(dòng)化和智能化水平。

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作者簡介：王新宇（1981.08—），男，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，碩士研究生，研究方向：機(jī)電管理。